指向核心素養(yǎng)的高中物理單元設(shè)計之核心概念“加速度”

郭本剛

(江蘇省震澤中學(xué),江蘇 蘇州 215200)

指向核心素養(yǎng)的高中物理單元設(shè)計之核心概念“加速度”

郭本剛

(江蘇省震澤中學(xué),江蘇 蘇州 215200)

將高中物理中“加速度”部分內(nèi)容有機、模塊化組合,按“ADDIE模型”的5個步驟設(shè)計,使其成為一個邏輯清晰、層次鮮明、具有整體性的教學(xué)單元,使概念的核心地位得以充分體現(xiàn).

高中物理;單元設(shè)計;核心素養(yǎng);核心概念;加速度

鐘啟泉教授在2015年6月12日《中國教育報》上發(fā)表“學(xué)會‘單元設(shè)計’”一文,指出:在應(yīng)試教育背景下,……所謂的“成功經(jīng)驗”,赤裸裸張揚的依然是碎片化“知識點”教學(xué)的惡習(xí),癥結(jié)何在?可能有兩個因素在起作用,其一、沒有擺脫課時主義;其二、缺乏單元設(shè)計的基本功.……在基于核心素養(yǎng)的新一輪課程改革下,一線教師應(yīng)研究課程的整體結(jié)構(gòu),積累單元設(shè)計的經(jīng)驗,加速課堂轉(zhuǎn)型,為新時代期許的“學(xué)力”和“學(xué)習(xí)”而努力. 由此可見,基于核心素養(yǎng)的課堂轉(zhuǎn)型之關(guān)鍵在于單元設(shè)計及其有效實施.為此,筆者嘗試了以系統(tǒng)的學(xué)科知識為基礎(chǔ),圍繞“加速度”主題展開探究活動的教學(xué)單元設(shè)計.整個設(shè)計強調(diào)脈絡(luò)化、情境化的學(xué)習(xí),緊扣物理核心素養(yǎng),在實驗探究中引導(dǎo)學(xué)生樹立應(yīng)有的科學(xué)態(tài)度,更新物理觀念,提升科學(xué)思維水平.整個設(shè)計遵循“ADDIE模型”,即分析(Analysis)、設(shè)計(Design)、開發(fā)(Development)、實施(Implement)、評價(Evaluation)而展開.

1 “加速度”的教材邏輯及教學(xué)現(xiàn)狀(分析)

“加速度”概念是高中物理初遇的第一個重要概念,它是運動學(xué)的終極概念,是動力學(xué)的核心概念.學(xué)生在初中盡管對變速直線運動與力和運動的關(guān)系有過了解,但未深入到“加速度”層面.“加速度”在高中的學(xué)習(xí)主要涉及以下四方面:一是概念的引入和建立及數(shù)學(xué)化的定義;二是應(yīng)用它研究勻變速直線運動的規(guī)律;三是加速度的決定因素,即牛頓第二定律的探究;四是應(yīng)用加速度分析動力學(xué)問題.從各種版本教材的編排來看,都是先單刀直入地提出“如何比較速度變化的快慢”,然后拋出加速度的物理意義和定義,再應(yīng)用它探究勻變速直線運動的規(guī)律,最后介紹最典型的理想化運動——自由落體,以及伽利略對它的研究.在學(xué)習(xí)“加速度”之前,則是著力于速度(包括瞬時速度)的定義,并介紹了測量速度的一些實驗手段以及描述其變化的方法.而加速度決定因素的研究,則放在相互作用(力)之后,與之前是割裂開來的.

當下的教材邏輯和教學(xué)現(xiàn)狀存在以下五方面問題:一是引入過于簡單.“加速度”不是很容易便能聯(lián)想到實際情境的,是一個高而深層次的概念,建構(gòu)過程中會遇到很多障礙,包括概念建立的意義之領(lǐng)悟、定性到定量之轉(zhuǎn)變、抽象模糊到具體直觀之跨越等;二是內(nèi)在邏輯混亂.從歷史上看加速度概念源于伽利略對自由落體運動的研究,但是教材先建立概念再實驗探究,概念建立則是先加速度再勻變速直線運動,顯得因果顛倒、循環(huán)論證;三是內(nèi)容重點錯位.教材主要篇幅放在勻變速直線運動的規(guī)律上,伽利略的研究放在最后,其教學(xué)價值未能得到充分展現(xiàn);四是核心地位不明.目前,其核心地位只體現(xiàn)在解題上,沒有從概念的建立過程上感悟其重要性,沒有圍繞它展開一系列的探究和思考;五是缺乏整體規(guī)劃.加速度決定因素的研究沒有緊跟其后,學(xué)生在初中對力已經(jīng)有了比較深入的學(xué)習(xí),“加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的研究基礎(chǔ)已經(jīng)建立.

總而言之,“加速度”的教學(xué)需要教師基于物理學(xué)史的進程和物理學(xué)研究的內(nèi)在邏輯加以全盤考慮和有效整合,在大量的情境經(jīng)驗中有所感悟,讓學(xué)生在實驗探究中經(jīng)歷緊張的腦力勞動,逐級抬高、逐步深入地建立起正確的思維認識,從而建構(gòu)起具體直觀的概念.

2 “加速度”單元的內(nèi)容及結(jié)構(gòu)(設(shè)計)

為解決上述問題,筆者打破傳統(tǒng)的“課時主義”的束縛,調(diào)整教材的順序,開發(fā)出跨章節(jié)、具有層次感的“加速度”單元.本單元設(shè)計的學(xué)生基礎(chǔ)已經(jīng)具備,可以圍繞該主題開展五方面教學(xué): (1) 針對“伽利略對自由落體運動的研究”,教師設(shè)置問題引領(lǐng)學(xué)生自學(xué)并激發(fā)思考使其有所感、有所悟; (2) 在現(xiàn)代技術(shù)支持下,對自由落體運動進行再研究,檢驗伽利略當年之假設(shè)和觀念; (3) 探究小車的運動規(guī)律,最終確立起兩個概念(勻變速直線運動和加速度); (4) 改變實驗條件(或各組比較),進一步領(lǐng)悟加速度的物理意義,并定性認識加速度的決定因素; (5) 應(yīng)用控制變量法,探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系.

這樣的單元設(shè)計,始終圍繞“加速度”這一核心概念,教學(xué)邏輯順暢而嚴密,突出學(xué)生的主體地位和自主建構(gòu).它強調(diào)目標的遞進性和內(nèi)容的循環(huán)性,符合認知發(fā)展的規(guī)律與特點,實現(xiàn)由低階思維(知識、理解、應(yīng)用)向高階思維(分析、綜合、評價)的逐步遞進和循環(huán)上升.

3 “加速度”單元的教學(xué)計劃和流程(開發(fā))

“單元設(shè)計”的基本思路在技術(shù)性層面上的三重心是目標的設(shè)計、方法的設(shè)計和評價的設(shè)計,方法設(shè)計旨在回答“怎樣實現(xiàn)目標”,其關(guān)鍵是知識結(jié)構(gòu)和教學(xué)方式的設(shè)計.從建構(gòu)主義學(xué)習(xí)來看,教學(xué)方式應(yīng)該側(cè)重于思考性、研究性學(xué)習(xí)的設(shè)計,使學(xué)生在情境、協(xié)同、支架、任務(wù)、展示、反思下自主生成.基于此,筆者設(shè)計了如圖1所示的“加速度” 單元教學(xué)結(jié)構(gòu)及相應(yīng)目標.

4 “加速度”單元的課時計劃(實施)

單元需要整體規(guī)劃,但是目標要逐步實現(xiàn),物理核心素養(yǎng)的四個方面需要在各課時中逐個突出,所以課時計劃是課程實施的關(guān)鍵,同時,單元設(shè)計又是課時計劃的指引.為此,筆者基于學(xué)生的認知,整合教材資源,基于核心素養(yǎng)應(yīng)用不同的教學(xué)策略,設(shè)計了本單元的四個課時.

4.1 課時1:伽利略對自由落體運動的研究

勻變速直線運動的概念是伽利略在探索自由落體運動規(guī)律的過程中確立的,而“加速度”概念是它的順延,教學(xué)也應(yīng)符合這個邏輯,讓學(xué)生在實驗探究和科學(xué)推理中實現(xiàn)自主建構(gòu),具體流程如圖2所示.讓學(xué)生重演歷史,在數(shù)據(jù)的分析中認識到自由落體運動(天然的加速運動)的速度增加方式是簡單的,是隨時間(而非位移)均勻增加的,從而建立起現(xiàn)代意義的加速度概念及其定義.

圖1 單元教學(xué)結(jié)構(gòu)及相應(yīng)目標

圖2

4.2 課時2:用現(xiàn)代技術(shù)研究自由落體運動并測定當?shù)刂亓铀俣?/p>

在現(xiàn)代技術(shù)支持下,不妨考慮直接驗證伽利略的假設(shè),因為有可以測量瞬時速度的儀器,如光電門、打點計時器等,具體流程如圖3所示.整堂課以學(xué)生活動為中心,提升學(xué)生的探究意識和研究能力,倡導(dǎo)合作式學(xué)習(xí)、反思性學(xué)習(xí).在此過程中,教師的作用主要有三:活動的組織指導(dǎo)、思維的引領(lǐng)調(diào)控和結(jié)果的總結(jié)評價.

圖3

4.3 課時3: 探究小車的運動規(guī)律并定性分析加速度的決定因素

在“實驗:探究小車的運動規(guī)律”(如圖4所示)中,讓學(xué)生借助v-t圖像分析數(shù)據(jù),體驗小車的運動規(guī)律與自由落體運動是類似的,并計算出加速度大小.讓學(xué)生改變條件再實驗從而縱向?qū)Ρ?或組際間橫向?qū)Ρ?,指出相同和差異,進而認識到之前那樣定義的加速度是有意義的,它描述了小車的速度變化快慢(物理意義),將速度隨時間均勻變化定義為勻變速具有現(xiàn)實意義,因為這樣的運動模型是普遍的,同時引導(dǎo)學(xué)生自覺發(fā)現(xiàn)加速度與力、質(zhì)量兩方面因素有關(guān).這樣的課堂內(nèi)容充實,教學(xué)邏輯清晰而嚴密,充分挖掘了該實驗的教學(xué)意義,是教師引領(lǐng)下的學(xué)生自主體驗和生成.

圖4 實驗： 探究小車的運動規(guī)律

4.4 課時4:探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系

在課時3基礎(chǔ)上,本課時展開“猜想、假設(shè)→方案設(shè)計→數(shù)據(jù)收集→數(shù)據(jù)分析→評價、交流→反思、改進→完善、總結(jié)”.猜想和假設(shè)一定要基于事實,這種事實最好是實驗,因為實驗是可控、可調(diào)、可測的,可以基于初步實驗作定量假設(shè).所以,課時4與課時3是沒有明顯界線的,甚至半定量的研究可以放在課時3進行.為了更好地開展本課時研究,加速度大小可以借助DIS快速得出,因為學(xué)生已經(jīng)基本建構(gòu)起概念.

方案設(shè)計之始不必追求精致,可只著眼于控制變量法下的兩個假設(shè)及相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析方法.數(shù)據(jù)分析的手段要有設(shè)計,列表或作圖,要能直觀地得出結(jié)論,如:力一定時加速度與質(zhì)量的關(guān)系怎么反映?應(yīng)以質(zhì)量的倒數(shù)作為自變量.面對實驗結(jié)果,如:圖像不過原點、無法擬合出直線等,務(wù)必實事求是.成功的教學(xué)不是“沒有問題”而是“產(chǎn)生問題”,教師要啟發(fā)學(xué)生提出問題,引導(dǎo)學(xué)生解決問題.所以,學(xué)生交流、師生對話、獨立反思是本課時的重要內(nèi)容,正是在此過程中實現(xiàn)方案的改進和完善,使實驗向最理想的結(jié)果邁近.

實驗過程中,不妨引領(lǐng)學(xué)生思考這樣一些問題:倘若你所選的研究對象是小車,你是不是認為其所受合外力就是繩子拉力?那么,你怎么量度其大小呢?若以懸掛重物的重力作為合外力,其研究對象是誰?最后,學(xué)生還會存在很多疑惑,如:“為什么改變小車質(zhì)量后不需要重新平衡摩擦力”,“為什么懸掛物質(zhì)量遠小于小車即可認為拉力近似等于懸掛物重力”,等.教師應(yīng)把它們搜集起來,激發(fā)學(xué)生興趣,使其成為學(xué)生今后進行理論探究的動力.

5 “加速度”單元的教后研討(反思)

有學(xué)者提出,反思性思考和行動是核心素養(yǎng)的核心.筆者認為,這話有一定的道理,反思性思考的意識和行動是一個人長遠發(fā)展所需的必備品格和關(guān)鍵能力之一,有時甚至至關(guān)重要.整個教學(xué)過程富含著教師引領(lǐng)下的學(xué)生反思,方案的改進、完善以及結(jié)論的升華正是基于學(xué)生的反思.筆者給學(xué)生布置的課后作業(yè)就是反思報告,要求學(xué)生在反思基礎(chǔ)上提出問題及初步解決方案或設(shè)想,要有猜想及假設(shè)、推理及依據(jù)、事實及分析、歸納及結(jié)論等等.教師匯總學(xué)生的這些反思性問題,將其與實驗報告一同作為評價學(xué)生的重要材料.同時,以學(xué)生的反思促教師的反思與成長,使教后研討更有針對性和實效性.

6 結(jié)語

縱觀整個設(shè)計,物理核心素養(yǎng)四個方面均有所體現(xiàn),這種體現(xiàn)不是刻意為之,是邏輯必然,是過程使然.在物理觀念方面,涉及運動觀以及力和運動的關(guān)系之觀念,使學(xué)生初步建立這樣的觀念:“概念、結(jié)論要與可觀察的事實相符合,而且要用簡明的數(shù)學(xué)語言來表達它的結(jié)果”.在科學(xué)思維方面,領(lǐng)略了伽利略研究問題的方法,包括模型的建構(gòu)、科學(xué)的數(shù)學(xué)邏輯推理、批判質(zhì)疑和創(chuàng)新等,體會“為什么伽利略是近代科學(xué)之父,他的開創(chuàng)性工作有哪些?”在實驗探究方面,讓學(xué)生充分體驗所應(yīng)具有的一切要素(問題、證據(jù)、解釋、交流等),使學(xué)生的能力得以提升,通過對話使課堂成為播撒思考的種子、展開交流的場所.在科學(xué)態(tài)度方面,堅持“面對結(jié)果務(wù)必實事求是,面對問題要迎難而上”,這是科學(xué)研究者所應(yīng)具有的基本品格,不能將原因總歸結(jié)為“在實驗誤差允許的范圍內(nèi),……”,甚至無視某些情況是多次、多組反復(fù)出現(xiàn)的.

整個設(shè)計堅持物理教學(xué)的兩個重要原則“以實驗為基礎(chǔ),以思維為中心”,通過合理的教學(xué)邏輯,使知識的學(xué)科邏輯順利轉(zhuǎn)化為學(xué)生的認知邏輯.核心素養(yǎng)指引下的單元設(shè)計,著眼于學(xué)生長遠發(fā)展所需之必備品格和關(guān)鍵能力,成為課堂轉(zhuǎn)型的有力推手,使課堂成為提升學(xué)生核心素養(yǎng)的場所和舞臺.在實施中,教師還要關(guān)注學(xué)生以下5個方面:學(xué)習(xí)的態(tài)度與感受、知識的習(xí)得與整合、知識的拓展與凝練、知識的有意義使用以及心智習(xí)慣(包括批判性思維、創(chuàng)造性思維和自我調(diào)整思維),不僅要關(guān)注容易測量的行為目標,也要重視不易測量的表現(xiàn)性目標,如情感態(tài)度、學(xué)習(xí)策略等.

1 鐘啟泉.基于核心素養(yǎng)的課程發(fā)展:挑戰(zhàn)與課題[J].全球教育展望,2016(1):3-25.

2 陳彩虹,趙琴,汪茂華,汪曉慧,吁思敏,向榮.基于核心素養(yǎng)的單元教學(xué)設(shè)計——全國第十屆有效教學(xué)理論與實踐研討會綜述[J].全球教育展望,2016(1):121-128.

3 白晶.勻加速直線運動模型的歷史意義和教育價值——從伽利略對自由落體運動的研究談起[J].物理教師,2016(5):21-23.

4 王榮飛.滲透物理方法教育的“電磁感應(yīng)現(xiàn)象的兩類問題”教學(xué)設(shè)計[J].物理教師,2016(6):27-30.

5 王云生.課堂轉(zhuǎn)型與學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)[M].上海:上海教育出版社,2016:69-86.

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本文系蘇州市教育學(xué)會“十三·五”科研課題“基于提升學(xué)生核心素養(yǎng)的初高中物理教學(xué)銜接的實踐與研究”階段成果之一.

2016-11-18)